Pokaż PDF

74
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
UKD 622.333: 574.3.167/.168
Ocena przydatności energetycznej komunalnych osadów
ściekowych w oparciu o analizę parametrów
fizykochemicznych
Evaluation of energy usefulness of the municipal sewage sludge based
on the analysis of physico-chemical parameters
mgr Agnieszka Skawińska*)
mgr inż. Iga Kuklis*)
Treść: Możliwość zaliczenia osadów ściekowych do biomasy ma istotne znaczenie w propagowaniu termicznych metod przekształcania
tej grupy odpadów. Konwersja osadów w energię użyteczną powinna być poprzedzona poznaniem właściwości fizykochemicznych potencjalnego materiału palnego. Parametry energetyczne paliwa są wyznaczane przez kilka kluczowych wskaźników,
do których należą: zawartość wody, substancji lotnych i mineralnych, ciepło spalania oraz wartość opałowa. W opracowaniu
podjęto próbę oceny wybranych parametrów fizykochemicznych wytypowanych do badań osadów ściekowych pochodzących
z komunalnych oczyszczalni ścieków. Uzyskane wyniki badań pozwalają wnioskować, że komunalne osady ściekowe mogą
charakteryzować się odpowiednimi walorami energetycznymi. Korzystne właściwości energetyczne oraz możliwość zaliczenia
osadów ściekowych do biomasy mogą mieć istotne znaczenie w propagowaniu termicznych metod przekształcania tej grupy
odpadów.
Abstract: Possible inclusion of sewage sludge to the biomass is important in promoting thermal methods of converting this group of
waste. Converting sludge into useful energy should be preceded by knowledge of physicochemical properties of potential
combustible material. Parameters of energy consumption are water content, volatile matter and minerals, heat of combustion and calorific value. The study attempts to assess the selected physicochemical parameters selected for testing sewage
sludge from municipal sewage treatment plants. The obtained results allow to conclude that municipal sewage sludge may
have suitable energy values. Optimum energy properties and the ability to pass sludge to the biomass may be important in
promoting thermal methods of converting this group of waste.
Słowa kluczowe:
osady ściekowe, węgiel kamienny, charakterystyka energetyczna
Key words:
sewage sludge, hard coal, energy properties
1. Wprowadzenie
Osady ściekowe należą do specyficznych odpadów,
powstających w procesie mechanicznego, biologicznego
i chemicznego oczyszczania ścieków. Ze względu na rodzaj
oczyszczanych ścieków, wyróżniamy osady pochodzące
z oczyszczalni przemysłowych i komunalnych, a ich właściwości są uwarunkowane procesem technologicznym
zastosowanym podczas oczyszczania. Osady z oczyszczalni
*) ICHPW, Zabrze
przemysłowych wyróżniają się wysoką zawartością metali ciężkich i innych substancji toksycznych. Natomiast,
w efekcie oczyszczania ścieków komunalnych powstają
osady, które cechują się wysokim uwodnieniem, znacznym
udziałem substancji organicznej oraz dużą skłonnością do
zagniwania.
Powodem tego może być wysoka zawartość substancji organicznej, niska zdolność do oddawania wody oraz obecność
organizmów patogennych występujących w osadach komunalnych. Kwestia końcowego zagospodarowania i unieszkodliwiania osadów ściekowych stała się w ostatnim czasie
Nr 12
PRZEGLĄD GÓRNICZY
istotnym problemem ekologicznym, a także technicznym
i ekonomicznym. Krajowy Plan Gospodarki Odpadami
przewiduje, że w roku 2022 w Polsce będzie wytwarzane
około 750 tys. Mg suchej masy (s.m.) komunalnych osadów
ściekowych [8].
Z uwagi na ograniczenia związane z przyrodniczym zagospodarowaniem osadów oraz legislacje prawne uniemożliwiające ich składowanie, coraz powszechniej obserwuje się
wzrost tendencji wykorzystania termicznych metod odzysku
osadów ściekowych. Odzysk energetyczny w tej grupie odpadów jest metodą rekomendowaną z uwagi na właściwości
osadów, a zwłaszcza zawartość metali ciężkich i patogenów
chorobotwórczych.
Odzysk energii z osadów ściekowych można prowadzić
w procesach spalania, pirolizy lub zgazowania [2]. Jedną
z racjonalnych opcji zagospodarowania osadów ściekowych
jest ich współspalanie z węglem w instalacjach energetyki
zawodowej [3,4]. Wiąże się to przede wszystkim z możliwością współspalania ich z paliwami kopalnymi w istniejących
już zakładach przemysłowych – głównie elektrowniach,
elektrociepłowniach i cementowniach. Osady ściekowe są
odpadem biodegradowalnym i fakt ten może dostarczyć
podmiotom podejmującym ich współspalanie dodatkowych
korzyści związanych z zaliczeniem części wytworzonej
energii do tzw. „energii zielonej”, jak również rozliczaniem
emisji ditlenku węgla [9]. Energia elektryczna wytwarzana
z wykorzystaniem osadów ściekowych może być zaklasyfikowana do energii pochodzącej z OZE w oparciu o definicję
biomasy zawartą w rozporządzeniu Ministra Gospodarki
z dnia 18 października 2012 r. [3]. Ujęta w dokumencie
definicja upoważnia do kwalifikowania części energii pochodzącej nie tylko z tzw. „czystej biomasy”, ale również
z frakcji biodegradowalnych zawartych w odpadach jako
energii pochodzącej z odnawialnego źródła. Możliwość zaliczenia osadów ściekowych do biomasy ma istotne znaczenie
w propagowaniu termicznych metod przekształcania tej grupy
odpadów.
Rozwój termicznych metod przekształcania osadów pozwala na zmniejszenie ilości osadów, które doprowadzane są
do środowiska, a jednocześnie skutkuje procesem produkcji
energii elektrycznej, czy ciepła. Zastosowanie osadów ściekowych w energetyce, wiąże się również ze zmniejszenie ilości
spalanego paliwa konwencjonalnego, np. węgla kamiennego,
co przyczynia się do wymiernych oszczędności związanych
z jego zakupem [11]. Węgiel jest nadal bezsprzecznie jednym
z najważniejszych paliw kopalnych, a porównanie jego parametrów z paliwami alternatywnymi wskazuje na zasadniczą
różnicę składu chemicznego, którego skutkiem jest odmienna
ilość energii chemicznej oraz inne właściwości warunkujące
przydatność w procesach termochemicznej konwersji [7]. W
związku z tym, konwersja osadów ściekowych w energię użyteczną powinna być poprzedzona poznaniem ich właściwości
fizykochemicznych. Parametry energetyczne paliwa są wyznaczane na podstawie kilku kluczowych wskaźników, do których
należą: zawartość wody, substancji lotnych i mineralnych,
ciepło spalania oraz wartość opałowa. Z uwagi na wysoką
zawartość wody, wartość opałowa osadów ściekowych jest
stosunkowo niska [2]. Innym parametrem, który kontroluje
się w materiale palnym jest zawartość siarki. Pierwiastek ten,
obecny w osadach ściekowych, ma (oprócz chloru i związków
alkalicznych) znaczący wpływ na występowanie niekorzystnego zjawiska korozji elementów konstrukcyjnych kotłów
energetycznych. Obecność siarki ma ponadto szczególne znaczenie w trakcie powstawania różnorodnych zanieczyszczeń
organicznych i nieorganicznych podczas termicznej przeróbki
odpadów palnych.
75
W opracowaniu podjęto próbę oceny wybranych parametrów fizykochemicznych wytypowanych do badań osadów
ściekowych, pochodzących z komunalnych oczyszczalni ścieków. W analizowanych próbkach oznaczono ciepło spalania,
na podstawie którego obliczono wartość opałową. Oznaczono
również zawartość wilgoci, popiołu i siarki. Wyniki analiz
porównano z parametrami fizykochemicznymi paliwa konwencjonalnego – energetycznego węgla kamiennego.
2. Wyniki badań i dyskusja
Właściwości osadów ściekowych pochodzących z komunalnych oczyszczalni ścieków oraz energetycznego węgla
kamiennego analizowano zgodnie z procedurami badawczymi
stosowanymi w akredytowanym Laboratorium Paliw i Węgli
Aktywnych Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla (IChPW).
2.1. Wartość opałowa
Nadrzędnymi parametrami określającym przydatność materiałów palnych do celów energetycznych są ciepło spalania
i wartość opałowa. Ciepło spalania to ilość ciepła, jaką można
uzyskać spalając 1 kg suchej masy osadu, a jego wartość jest
uwarunkowana składem i rodzajem związków organicznych
występujących w osadzie [9]. Wartość opałowa jest to ilość
energii, jaką można uzyskać z 1 kg osadu ściekowego uwodnionego, przyjmując, że spalanie jest całkowite i zupełne,
a para wodna zawarta w spalinach nie ulega skropleniu, pomimo że spaliny osiągają temperaturę początkową materiału
palnego.
Wartość opałową komunalnych osadów ściekowych,
obliczono na podstawie ciepła spalania oznaczonego za pomocą kalorymetru LECO AC 500, spalając próbki w bombie
kalorymetrycznej w atmosferze tlenu. Wartość tę (w stanie
suchym) wyznaczono dla dwunastu próbek osadów ściekowych. Uzyskane wyniki badań mieściły się w przedziale od
10,7 MJ/kg do 16,6 MJ/kg. Prowadzone przez inny ośrodek
badania wykazały, że średnia wartość opałowa osadów ściekowych pochodzących ze śląskich oczyszczalni komunalnych wynosiła 14,7 MJ/kg [1]. Wartość opałowa typowych
paliw konwencjonalnych była znacznie wyższa. Parametr ten
w stanie suchym mieścił się w zakresie 24,1÷35,5 MJ/kg dla
węgla kamiennego (badania własne IChPW). Jest to wartość
dwukrotnie większa w porównaniu z wynikami uzyskanymi
dla komunalnych osadów ściekowych (rys.1).
Wartość opałowa paliwa zależy od udziału składników
palnych, substancji mineralnej (popiołu) oraz wilgotności
paliwa i zwiększa się wraz ze zmniejszaniem się zawartości
wilgoci, co widoczne jest na rysunku 1 (próbka nr 12 - osad
wstępnie wysuszony).
2.2. Zawartość wilgoci
Wilgoć i popiół są parametrami substancji palnej, które
w decydujący sposób wpływają na proces zapłonu. Zawartość
wilgoci jest istotnym wskaźnikiem jakości paliwa i stanowi
parametr rozliczeniowy pomiędzy dostawcą paliw, a jego
odbiorcą, kształtując cenę. Parametr ten (stan analityczny),
oznaczono metodą wagową polegającą na ilościowym określeniu straty masy osadów, wysuszonych w temperaturze 105 oC.
Dla badanych próbek wysuszonych osadów ściekowych oznaczona zawartość wilgoci mieściła się (w stanie analitycznym)
w zakresie od 4,6 % wag. do 11,5 % wag. Zawartość wilgoci
(w stanie roboczym) natomiast kształtowała się na poziomie
6,2÷78,9 % wag. (Rys. 2). W przypadku węgla kamiennego
zawartość wilgoci w stanie analitycznym wyniosła 0,8÷15,2 %
wag. (badania własne IChPW), natomiast w stanie roboczym
76
PRZEGLĄD GÓRNICZY
2014
Rys. 1.Wartość opałowa (stan suchy) w analizowanych próbkach osadów ściekowych
Fig. 1. Calorific value (dry state) in the analyzed samples of sewage sludge
mieściła się w zakresie 1,1÷21,3 % wag. Wartość tego parametru w dużej mierze zależy od rodzaju procesu technologicznego obróbki osadów, które trafiają do danej oczyszczalni.
Energetyka stawia pewne wymagania, co do wilgotności
paliwa, ponieważ współspalanie mokrych osadów w kotle
przynosi dużo gorsze efekty niż spalanie osadów uprzednio
wysuszonych. Dodatek do paleniska mokrych osadów powoduje natychmiastowe pokrycie się zewnętrznej powierzchni
cząstek osadów skorupą, która utrudnia wydobywanie się i
wyparowywanie pozostałej wody. W konsekwencji oznacza to
konieczność dłuższego przetrzymywania osadów w komorze
paleniskowej lub wymaga zwiększenia jej rozmiarów [12].
2.3. Zawartość popiołu
Kolejnym parametrem wpływającym na obniżenie wartości opałowej paliw oraz przebieg procesu spalania jest udział
substancji mineralnej określanej jako popiół. Zawartość
popiołu w odpadach (stan analityczny), oznaczono metodą
wagową polegającą na ilościowym określeniu straty masy
osadów, spopielonych w temperaturze 550 oC. Zawartość
substancji mineralnej przeliczonej na stan suchy, w badanych w IChPW próbkach osadów ściekowych mieściła się
w przedziale 22,3÷45,2 % wag. (rys.2). Dla porównania,
uzyskany przez Nadziakiewicza [1], średni wynik zawar-
tości popiołu w komunalnych osadach ściekowych wynosił
32,4 % wag. Porównując zawartość substancji mineralnej
w węglach kamiennych, wyniki analizy mieściły się w zakresie
2,5 – 26,5 % wag.
2.4. Zawartość siarki
Chlor i siarka są niepożądanymi składnikami paliwa
ze względu na ich działanie korodujące. Obecność siarki
w paliwach może przyczyniać się do korozji kotłów energetycznych, poprzez odkładanie się osadów w postaci siarczanów w kanałach grzewczych [6]. Analizę zawartości siarki całkowitej w osadach ściekowych wykonano z wykorzystaniem
analizatora S.C.632 firmy LECO metodą spektrometrii IR,
poprzez spalenie próbki, a następnie pomiar niedyspersyjnego
promieniowania podczerwonego. Wykonane badania wykazały, że zawartość siarki w analizowanych próbkach mieściła
się w zakresie 1,32÷1,65 % wag. w stanie suchym. Zawartość
siarki w badanych komunalnych osadach ściekowych oraz
zakres wyników oznaczeń zawartości tego pierwiastka
w węglach kamiennych w sposób porównawczy przedstawiono na rysunku 3.
Na podstawie uzyskanych wyników badań wnioskować
można, że osady ściekowe charakteryzowały się wysoką
zawartością siarki (w stanie suchym). Wartość tego parame-
Rys. 2.Zawartość wilgoci (stan analityczny i roboczy) i popiołu (stan suchy) w analizowanych osadach ściekowych
Fig. 2.Moisture content (analytical and working state) and ash (dry state) in the analyzed sewage sludge
Nr 12
PRZEGLĄD GÓRNICZY
77
Rys. 3.Zawartość siarki (stan suchy) w osadach ściekowych
Fig. 3.Sulfur content (dry state) in the sewage sludge
tru była stabilna i utrzymywała się w każdej próbce osadów
powyżej poziomu 1,2 % wag. W większości próbek osadów
ściekowych analizowanych w IChPW, zawartość siarki była
wyższa w porównaniu z paliwem konwencjonalnym – węglem
kamiennym. Przedstawiony na rysunku 3 zakres występowania tego pierwiastka w węglach kamiennych dotyczył próbek
węgli w szerokim przedziale zawartości 0,32÷2,06% wag.
3. Podsumowanie
Oczyszczanie ścieków przyczynia się do powstawania
różnego rodzaju odpadów, których integralną i największą
część stanowią osady ściekowe. W ostatnich latach obserwuje
się w Polsce niepokojący wzrost produkowanych osadów
ściekowych. Rygorystyczne uwarunkowania prawne obligują do poszukiwania praktycznych i skutecznych rozwiązań
zagospodarowania tych odpadów. Stopień skażenia biologicznego osadów ściekowych jest podstawowym kryterium
uniemożliwiającym ich przyrodnicze wykorzystanie. Metody
termicznego unieszkodliwiania osadów ściekowych mogą
w znaczącym stopniu przyczynić się do uzyskania wymaganych prawnie poziomów redukcji masy składowanych
dotychczas osadów, pozwolić na realizację gospodarki
niskoemisyjnej, a także mogą mieć wpływ na osiągnięcie
docelowych poziomów wytwarzania energii elektrycznej
pochodzącej ze źródeł odnawialnych.
Analizując uzyskane wyniki badań można zaobserwować
wyraźne różnice w wartości opałowej osadów pochodzących
z komunalnych oczyszczalni ścieków względem wartości
opałowej węgli kamiennych. Uzyskane wyniki oznaczeń mieściły się w przedziale od 10,7 MJ/kg do 16,6 MJ/kg w stanie
suchym. Parametry zawartości popiołu i wilgoci w osadach
ściekowych mieściły się w stosunkowo wąskim zakresie.
Średnia zawartość wilgoci (w stanie analitycznym) utrzymywała się na poziomie 6,4 % wag., a średnia zawartość popiołu
w stanie suchym na poziomie 40,3 % wag.. Charakterystyczna
dla osadów ściekowych wydaje się być zawartość siarki
w stanie suchym, sięgająca w niektórych przypadkach powyżej 1,6 % wag.. Jest to wartość wysoka w stosunku do średniej
zawartości tego pierwiastka w paliwie konwencjonalnym, jakim były analizowane węgle kamienne. Uzyskane wyniki badań, wykazały, że komunalne osady ściekowe charakteryzują
się odpowiednimi walorami energetycznymi, dla prowadzenia
odzysku energii z tej grupy odpadów.
Literatura
Nadziakiewicz J., Wacławiak K., Stelmach S.: Procesy termiczne utylizacji odpadów, Politechnika Ślaska 2012.
2. Praca zbiorowa pod red. Wydawnictwa Seidel-Przywecki, Termiczna
mineralizacja osadu ściekowego, V Konferencja Naukowo-Techniczna,
2008, s. 88.
3. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 18 października 2012 w
sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia
do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej,
zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych
źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących
ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii
(Dz.U. 2012 nr 0 poz. 122).
4. Słowik K., Stelmach S., Wasilewski R.: Sewage sludge co-combustion
in coal-fired boilers, Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony
Środowiska, nr 4/2011.
5. Stelmach S., Wasielewski R., Zuwała J., Sobolewski A.: Komunalne
osady ściekowe jako paliwo odnawialne - droga do współspalania w
energetyce, Czysta Energia, 11, 2006, s. 28÷29.
6. Ściążko M., Sobolewski A., Zuwała J.: Przewodnik MetodycznyProcedury bilansowania i rozliczania energii wytwarzanej w procesach
współspalania, IChPW, Warszawa-Zabrze 2007.
7. Termochemiczne Przetwórstwo Węgla i biomasy, pod red. Marka
Ściążko i Henryka Zielińskiego, Zabrze-Kraków 2003
8. Uchwała Nr 217 Rady Ministrów z dnia 24 grudnia 2010 r. w sprawie
"Krajowego planu gospodarki odpadami 2014" (M.P. Nr 101, poz. 1183).
9. Wasielewski R., Sobolewski A.: Współspalanie komunalnych osadów
ściekowych z węglem, Nowa Energia, 2, 2009, s. 8÷12.
10. Wasielewski R., Stelmach S., Jagustyn B.: Sewage sludge as a renewable
energy carrier and CO2 zero emission biomass in co-combustion with
coal, Environmental Protection Engineering, 2, 2013.
11. Werle S.: Wielowariantowa analiza możliwości współspalania osadów
ściekowych w kotłach energetycznych opalanych węglem”, Archiwum
Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, Vol. 13 nr 1 (2011),
p. 21÷38.
12. http://ekologia-info.eu/?lang=1&menu=1&menu_select=7&podmenu_select=135
1.